外海风机基础承台海工高性能大体积混凝土配合比研究

外海风机基础承台海工高性能大体积混凝土配合比研究

田斐傅健

中交第三航务工程局有限公司厦门分公司福建省厦门市361006

摘要：外海环境风机基础承台混凝土施工是海上风力发电的一个重要难点，文中提出了海工高性能大体积混凝土配合比设计的基本原则，结合福建莆田平海湾50MW海上风电项目详细地阐述了海工高性能大体积混凝土配合比设计的步骤，尽可能减少或杜绝温度裂缝和收缩裂缝，使混凝土的强度、抗氯离子渗透性能、混凝土绝热温升满足设计要求，同时满足外海环境条件下混凝土施工的要求。

关键词：外海施工；高性能大体积混凝土；绝热温升

一、工程概况

1、工程特点

本工程为福建省莆田平海湾海上风电项目，项目位于莆田平海湾，西邻平海半岛，北临南日岛，中心距离平海镇约12km。项目拟安装单机容量50MW的风力发电机组10台。承台采用直径14m、高度5.6m的圆形钢筋混凝土结构，其中底部0.8m为封底混凝土部分，上部4.8m为承台主体结构。混凝土采用强度等级为C50的高性能大体积海工混凝土。

2、气候条件

本海区地处亚热带，属于亚热带季风性气候，常年温和湿润，无霜冻。历年极端最高气温38℃，极端最低气温-0.2℃，多年平均气温20.4℃，平均降水量1411mm，平均蒸发量1735mm，平均相对湿度76%。台风平均每年影响4～5次，最大风力12级以上。

3、机械设备

承台混凝土为海工高性能大体积混凝土，最大浇筑方量738.528m3。浇筑采用两艘30m3/h搅拌船海上现浇；1#搅拌船（浙岭工，一次性连续浇筑250m3）；2#搅拌船（琼洋浦、一次性连续浇筑300m3），粉料补给船1艘（三个补给仓分别补给水泥、粉煤灰、矿粉），砂碎石补给船2艘，加水船1艘。

二、设计依据

本工程混凝土采用C50海工高性能大体积混凝土，环境条件为海水环境浪溅区。海港工程浪溅区采用高性能大体积混凝土时的抗氯离子渗透性（电通量法）不应大于1000C。混凝土拌合物中的氯离子含量最高限量（以胶凝材料质量百分比计）不大于0.10%。混凝土拌合物的稠度以塌落度和塌落扩展度表示，当塌落度大于180mm时，稠度宜采用塌落扩展度表示。混凝土拌合物应拌合均匀、颜色一致，不得有离析和明显泌水现象。确定所用骨料前应进行碱活性检验，当检验表明骨料具有碱活性时严禁使用。按耐久性要求，海水环境浪溅区高性能混凝土水胶比最大允许值为0.35，最低胶凝材料用量不小于400kg/m3，且胶凝材料最高用量不应大于500kg/m3。

大体积混凝土在材料选用、混凝土配置及施工的全过程采取保证结构安全、适用、耐久的温度裂缝控制措施。施工时应合理安排浇筑时间，宜选择温度相对较低时段浇筑混凝土，并应避免在极端不利的气象条件下施工。大体积混凝土配合比应满足设计与施工要求，并应按照绝热温升、抗裂性能良好的原则通过优化确定，且宜限制早期强度的发展，12h抗压强度不宜大于8MPa，24h抗压强度不宜大于12MPa。

高性能大体积混凝土配合比设计时除应符合水工混凝土配合比设计要求外，还应满足下列要求：

1、在满足施工工艺要求的条件下，选择较小的塌落度；

2、在满足施工工艺要求的条件下，选择较小的砂率；

3、矿物掺合料掺量根据掺合料种类和混凝土水胶比按下表选定

当前，搅拌船配套的称量、搅拌系统相对较为落后，在相对较平稳或海上环境极其有利的条件下，系统称量的误差可以控制在规定允许范围内。混凝土搅拌系统在设计时并未考虑海水、风向以及涌浪对系统造成的称量偏差，因此在外海不利环境条件下，每盘混凝土原材料的称量偏差难以控制，且无规律可循，从而使混凝土拌合物的性能、强度及其他指标无法与实验室内配置的混凝土保持一致。因此，在实验室配合比设计尤其是水胶比选定时，应严格控制、谨慎论证，通过多个混凝土配合比的比选，确定最适合本工程的混凝土配合比。

三、配合比设计

1、原材料

1.1水泥

高性能大体积混凝土宜采用中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥，且标准稠度用水量低，不宜使用早强、水化热较高和高C3A含量的水泥；水泥中铝酸三钙含量不宜大于8%，水泥的氯离子含量应低于0.03%。本工程水泥选用P.O42.5“海螺”牌普通硅酸盐水泥，质量符合《通用硅酸盐水泥》（GB175）的有关规定。

1.2细集料

高性能大体积混凝土细集料宜采用级配稳定、质地坚固、公称粒径在5.00mm以下的中砂，细度模数宜为3.2~2.6，总含泥量不应大于2.0%，其中泥块含量不应大于0.5%，且不得采用碱活性细骨料。本工程细集料选用细度模数2.6的中砂，表观密度2510kg/m3，产地为漳州。

1.3粗集料

配置高性能大体积混凝土应采用质地坚硬碎石作为粗骨料，压碎值不大于12%，针片状含量不大于10%，总含泥量不大于0.5%，其中泥块含量不大于0.2%。严禁采用碱活性粗骨料。本工程选用5~25mm连续级配石子，产地为福州。

1.4掺合料

高性能大体积混凝土宜掺加粉煤灰、粒化高炉矿渣粉等矿物掺合料，以取代水泥用量，降低水泥水化热。粉煤灰应采用I级或Ⅱ级，粒化高炉矿渣粉的比表面积宜为400~450m2/kg。本工程粉煤灰选用Ⅱ级F类粉煤灰，粉煤灰掺量为20%；矿渣粉型号为S95，掺量为20%。

1.5外加剂

高性能大体积混凝土减水剂宜选用缓凝型高效减水剂或缓凝型高性能减水剂，其减水率不应小于25%，缓凝成份不应为糖类；掺外加剂的混凝土28天收缩率比不应大于125%；外加剂使用前应进行胶凝材料相容性试验，掺量通过试验确定，且配置的混凝土塌落度损失小。

本工程外加剂分别为减水剂和阻绣剂，减水剂为缓凝型高性能减水剂，减水率为28%，含固量为18.97%；阻绣剂为粉剂，掺量为内掺胶凝材料用量的5%。

1.6拌合水

高性能混凝土拌合用水宜采用饮用水，不得使用影响水泥正常凝结、硬化和促使钢筋锈蚀的拌合水，本工程拌合水为石城码头饮用水，经检验，技术指标符合现行行业标准《混凝土用水标准》（JGJ63）的有关规定。

2、配合比设计

2.1计算配置强度

高性能混凝土配置强度：fcu,o=fcu,k+1.645σ（σ为混凝土强度标准差的平均水平）σ取值应符合下表的规定：

查表得σ-混凝土立方体抗压强度标准差为5.5

fcu,0=fcu,k+1.645σ=50+1.645×5.5=59.0MPa

2.2确定水胶比

根据砼配制强度、耐久性要求和原材料情况及本工程环境条件，选定水胶比W0/WB=0.29（B组）

2.3选择基准配合比用水量

依据塌落度为160-200mm，石子最大粒径25mm及减水剂减水率为28%等选择用水量为140kg/m3

2.4计算基准配合比水泥用量

WB=W0/（W0/WB）=140/0.29=483kg/m3

2.5确定基准配合比砂率

根据胶凝材料用量、石子最大粒径及经验选定砂率为38%

2.6计算基准配合比砂石用量

砂石体积V=1000×(1-0.01A)-W0/ρw-WB/ρB

=1000×(1-0.01×2)-140-483/3.1=684L砂用量S0=V×γ0×ρs=672kg石用量G0=V×(1-γ0)×ρg=1096kg

2.7确定基准配合比

2.8计算粉煤灰用量

粉煤灰取代率为20%，取代方式为等量，计算粉煤灰用量：

Wf=483×0.20=97kg/m3

2.9计算矿粉用量

矿粉掺量为20%，Wk=483×0.20=97kg/m3

2.10计算水泥用量

WC=WB-Wf-Wk=483-97-97=289kg/m3

2.11计算阻绣剂用量

阻锈剂掺量：内掺胶凝材料用量的5.0%；W阻=483×0.05=24.15kg/m3

2.12计算最终水泥用量

WC′=289×0.95=275kg/m3

2.13计算最终粉煤灰与矿粉用量

Wf′=97×0.95=92kg/m3Wk′=97×0.95=92kg/m3

2.14调整后砂用量

S=S0-[Ft/ρf-F/ρc-(Ww-W)/ρw]×ρs

=672-[92/2200-92/3100-(140-140)/1000]×2510=642kg/m3

2.15调整后砂率

S/(S+G)=37%

2.16计算最终用水量

外加剂(减水剂)含固量：18.97%，减水剂掺量：外掺胶凝材料用量的1.25%；外加剂用量：6.04kg/m3

W终=140-[6.04×(1-0.1897)]=135kg/m3

混凝土试拌时采用三个不同的配合比，一个为计算出的基准配合比，另外两个配合比水胶比宜较试拌配合比分别增加和减少0.02，用水量与试拌配合比相同，砂率分别增加和减少1%。

3、配合比调整与确定

在试拌配合比的基础上，用水量和外加剂用量应根据确定的水胶比作调整，胶凝材料用量应以用水量乘以确定的胶水比计算得出。当混凝土拌合物表观密度实测值与计算值之差的绝对值不超过计算值的2%时，配合比可维持不变；当二者之差超过2%时，应将配合比中每项材料用量均乘以校正系数。本试验测得的表观密度为2380kg/m3，计算值为2400kg/m3，绝对值为20，小于计算值的2%。

综合以上三组配合比拌合物性能、28天抗压强度、抗裂性能、胶凝材料水化热、混凝土绝热温和56d电通量等数据，结合本工程承台大体积砼温控技术指标要求（最大水化热温升≤60℃），确定配合比如下

本工程1#机位承台混凝土强度评定合格，混凝土耐久性满足设计要求，拌合物氯离子含量满足规范规定的要求。拆模后，承台侧面及表面未见温度裂缝及收缩裂缝，观感质量较好。

五、结束语

外海环境条件下高性能大体积混凝土配合比设计不仅要保证混凝土强度、耐久性满足设计要求，还要考虑混凝土水化热和绝热温升，以减少或杜绝温度裂缝及收缩裂缝；同时，海风、涌浪对混凝土搅拌船称量系统的影响都会直接改变混凝土的质量。实验室混凝土配合比设计只是理论数据，只有将混凝土最优配合比设计应用于现场施工并满足工程的实际需要，才是混凝土配合比设计的价值所在。

参考文献

【1】JTS202-1-2010，水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程

【2】JTS257-2-2012，海港工程高性能混凝土质量控制标准

【3】JTS202-2011，水运工程混凝土施工规范

【4】JTS202-2-2011，水运工程混凝土质量控制标准

【5】CCES01-2004，混凝土结构耐久性设计与施工指南